一种带有缓冲层的金属陶瓷基板及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种带有缓冲层的金属陶瓷基板及其制备方法。一种带有缓冲层的金属陶瓷基板，包括一陶瓷片以及覆盖在所述陶瓷片上的金属层，其特征在于，所述金属层以及所述陶瓷片之间设有一缓冲层；所述缓冲层是一厚度为6μm‑50μm的微孔形中间结合层，所述微孔形中间结合层设有孔洞，所述孔洞的孔径大小为0.01μm‑5μm，所述微孔形中间结合层孔隙率在3％‑60％。带有缓冲层的金属陶瓷基板在经历冷热循环或冷热冲击时，缓冲层能有效的降低瓷片所受的热应力，从而有效增强金属陶瓷基板冷热循环可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种带有缓冲层的金属陶瓷基板及其制备方法
本专利技术涉及半导体基板制备工艺领域，涉及一种带缓冲性层的金属陶瓷基板及其制备方法。
技术介绍
陶瓷基板具有热导率高、耐热性好、热膨胀系数低、机械强度高、绝缘性好、耐腐蚀、抗辐射等特点，在电子器件封装中得到广泛应用，根据制备原理和工艺的不同，目前主流产品可以分为厚膜印刷陶瓷基板(ThickPrintingCeramicSubstrate,TPC)、直接键合铜陶瓷基板(DirectBondedCopperCeramicSubstrate,DBC)、活性金属焊接陶瓷基板(ActiveMetalBrazingCeramicSubstrate,AMB)等。小型化的高压大功率模块是半导体器件重要发展方向之一，在半导体器件设计中，随着尺寸减小，芯片功率密度急剧增加，对模块散热封装可靠性提出了新的要求。TPC、DBC、AMB工艺均采用烧结制备金属陶瓷基板，界面反应可使陶瓷和金属层形成致密的界面层但残余热应力大是陶瓷金属化中普遍存在的问题。陶瓷基板的实际使用环境为高低温循环条件，瓷片和金属层热膨胀系数的显著差异致使陶瓷基板处于冷热循环条件下时，陶瓷层易产生微裂纹，金属层易产生翘曲，致使基板失效。改善烧结条件形成更致密的界面层、设置钉头孔及应力缓冲盲孔、AMB工艺中的焊料蚀刻台阶均能有效提高冷热冲击可靠性或冷热循环可靠性，但效果都十分有限。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种带有缓冲层的金属陶瓷基板，以解决以上至少一个技术问题。本专利技术还提供一种带有缓冲层的金属陶瓷基板的制备方法，以解决以上至少一个技术问题。为了达到上述目的，本专利技术提供了一种带有缓冲层的金属陶瓷基板，包括一陶瓷片以及覆盖在所述陶瓷片上的金属层，其特征在于，所述金属层以及所述陶瓷片之间设有一缓冲层；所述缓冲层是一厚度为6μm-50μm的微孔形中间结合层，所述微孔形中间结合层设有孔洞，所述孔洞的孔径大小为0.01μm-5μm，所述微孔形中间结合层孔隙率在3％-60％。带有缓冲层的金属陶瓷基板在经历冷热循环或冷热冲击时，缓冲层能有效的降低瓷片所受的热应力，从而有效增强金属陶瓷基板冷热循环可靠性。进一步优选地，所述金属层邻近所述微孔形中间结合层处也设有微孔，且孔洞密度自邻近微孔形中间结合层处至远离微孔形中间结合层处逐渐降低。进一步优选的，所述金属层可以为铜、铝、可伐合金以及以铜、铝为有效成分的金属浆料制成的金属片。进一步优选的，所述陶瓷片可以为氮化铝、氧化铝、氮化硅以及氧化铍陶瓷中的任意一种。一种带有缓冲层的金属陶瓷基板的制备方法，其特征在于，采用DCB工艺制备，包括如下步骤：A1)清洗陶瓷片和金属片；B1)预氧化：铜箔表面进行热氧化处理，使铜箔表面生成氧化亚铜；C1)陶瓷片、铜箔、金属片依序放置，进行烧结；所述铜箔的一面为光面，一面为毛面，光面朝向瓷片层，毛面朝向金属片；最终产品中瓷片与金属片相互邻近区域以及瓷片与金属片之间的区域为具有孔洞的缓冲层。步骤A1中，所述陶瓷片为氮化铝陶瓷，氮化铝陶瓷进行预氧化处理，使陶瓷表面生产氧化铝层，然后清洗陶瓷片。步骤B1中铜箔的厚度为6um-12um，预氧化采用干法氧化或者湿法氧化，干法氧化的条件为氧化温度500℃-900℃，氧化时间10min-60min，氧化气氛为氮气保护下的氧化气氛，氧含量为500ppm-3000ppm。湿法氧化的条件为氧化温度30-45℃，处理溶液包括3-31g/LNaOH和27-90g/LK2S2O8，处理时间为2min-10min。步骤C1中陶瓷片的双面进行烧结，第一面烧结时，烧结温度1065℃-1075℃，烧结时间为20min-35min，气氛为氮气保护的弱氧气氛，氧含量为5ppm-200ppm；第二面烧结时，烧结温度设定为1070℃-1090℃，烧结时间为20min-35min，气氛为氮气保护的弱氧气氛，氧含量为5ppm-200ppm。一种带缓冲层的金属陶瓷基板的制备方法，其特征在于，采用AMB工艺制备，包括如下步骤：A2)清洗陶瓷片和金属片；B2)陶瓷片双面丝网印刷焊料层；C2)将已印刷焊料层的陶瓷片、铜箔、金属片依序放置后，放置压头；D2)真空钎焊烧结；最终产品中瓷片与金属片相互邻近区域以及瓷片与金属片之间的区域为具有孔洞的缓冲层。步骤B2中焊料层的厚度为5um-20um，第一面丝网印刷后，采用80℃-100℃热风烘干5min-20min，再进行第二面丝网印刷，再次80℃-100℃热风烘干5min-20min。步骤C2中铜箔厚度为6um-30um。步骤C2中所述压头为玻璃、陶瓷、石墨块、刚玉砖中的一种或几种。步骤D2中真空钎焊烧结的条件为温度700℃-1080℃，真空度小于0.01，烧结时间60min-540min。一种带缓冲层的金属陶瓷基板的制备方法，其特征在于，采用TPC制备制备，包括如下步骤：A3)清洗陶瓷片和铜箔；B3)在铜箔毛面涂布以铜、铝为有效成分的金属浆料；C3)在陶瓷片上丝网印刷一层与B3步骤中成分相同的金属浆料；D3)将铜箔光面贴合在印刷浆料的陶瓷片上，双面贴敷；E3)厚膜烧结炉烧结。最终产品中瓷片与铜箔相互邻近区域以及瓷片与铜箔之间的区域为具有孔洞的缓冲层。步骤C3中金属浆料的印刷厚度为5um-40um，第一面丝网印刷后，采用80℃-150℃热风烘干5min-40min，再进行第二面丝网印刷，再次80℃-150℃热风烘干5min-20min。步骤E3中高温烧结的温度为850℃-1080℃，气氛为氧化气氛，时间为40min-100min。本专利技术的有益效果如下：1)可以显著提高金属陶瓷基板的抗冷热循环/抗冷热冲击可靠性；2)在金属陶瓷基板的界面结合层制造孔泡和界面结合层的耦合结构，可与其他技术(钉头孔、应力缓冲盲孔、焊料蚀刻台阶等)复合；3)制备方法简单易行，适用性广，选用AMB技术、DCB技术制备带缓冲层金属陶瓷基板时，材料成本，工艺附加成本低。附图说明图1为本专利技术金属陶瓷基板界面结合层示意图；图2为传统的不带缓冲层金属陶瓷基板界面结合层示意图；图3为金属陶瓷基板水冷冲击后超声扫描图；图3a)为不带有缓冲层的陶瓷片水冷冲击后超声扫描图；图3b)为带缓冲层金属陶瓷基板水冷冲击后超声扫描图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步的说明。实施例1一种带有缓冲层的金属陶瓷基板，包括一陶瓷片以及覆盖在陶瓷片上的金属层，其特征在于，金属层以及陶瓷片之间设有一缓冲层；缓冲层是一厚度为6μm-50μm的微孔形中间结合层，微孔形中间结合层设有孔洞，孔洞的孔径大小为0.01μm-5μm，微孔形中间结合层孔隙率在3％-60％。带有缓冲层的金属陶瓷基板在经本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种带有缓冲层的金属陶瓷基板，包括一陶瓷片以及覆盖在所述陶瓷片上的金属层，其特征在于，所述金属层以及所述陶瓷片之间设有一缓冲层；/n所述缓冲层是一厚度为6μm-50μm的微孔形中间结合层，所述微孔形中间结合层设有孔洞，所述孔洞的孔径大小为0.01μm-5μm，所述微孔形中间结合层孔隙率在3％-60％。/n

【技术特征摘要】
1.一种带有缓冲层的金属陶瓷基板，包括一陶瓷片以及覆盖在所述陶瓷片上的金属层，其特征在于，所述金属层以及所述陶瓷片之间设有一缓冲层；
所述缓冲层是一厚度为6μm-50μm的微孔形中间结合层，所述微孔形中间结合层设有孔洞，所述孔洞的孔径大小为0.01μm-5μm，所述微孔形中间结合层孔隙率在3％-60％。


2.根据权利要求1所述的一种带有缓冲层的金属陶瓷基，其特征在于，所述金属层为铜、铝、可伐合金以及以铜、铝为有效成分的金属浆料制成的金属片。


3.一种带有缓冲层的金属陶瓷基板的制备方法，其特征在于，采用DCB工艺制备，包括如下步骤：
A1)清洗陶瓷片和金属片；
B1)预氧化：铜箔表面进行热氧化处理，使铜箔表面生成氧化亚铜；
C1)陶瓷片、铜箔、金属片依序放置，进行烧结；
所述铜箔的一面为光面，一面为毛面，光面朝向瓷片层，毛面朝向金属片。


4.根据权利要求3所述的一种带有缓冲层的金属陶瓷基板的制备方法，其特征在于，步骤B1中铜箔的厚度为6um-12um，预氧化采用干法氧化或者湿法氧化；
干法氧化的条件为氧化温度500℃-900℃，氧化时间10min-60min，氧化气氛为氮气保护下的氧化气氛，氧含量为500ppm-3000ppm；
湿法氧化的条件为氧化温度30-45℃，处理溶液包括3-31g/LNaOH和27-90g/LK2S2O8，处理时间为2min-10min。


5.根据权利要求3所述的一种带有缓冲层的金属陶瓷基板的制备方法，其特征在于，步骤C1中陶瓷片的双面进行烧结，第一面烧结时，烧结温度1065℃-1075℃，烧结时间为20min-35min，气氛为氮气保护的弱氧气氛，氧含量为5ppm-200ppm；第二面烧结时，烧结温度设定为1070℃-1090℃，烧结时间为20min-35mi...

【专利技术属性】
技术研发人员：王斌，贺贤汉，欧阳鹏，葛荘，孙泉，张恩荣，
申请(专利权)人：江苏富乐德半导体科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32